焦炉荒煤气废热回收利用系统的制作方法

本实用新型涉及炼焦热工设备领域，具体涉及一种焦炉荒煤气废热回收利用系统。

背景技术：

炼钢冶金、陶瓷烧制、金属加热等工业过程，一般不能直接使用原煤燃烧进行加热，而是先将原煤经过炼制，脱去原煤中的焦油，成为含有纯煤气可燃成分的焦炭，再用于工业加热。用原煤炼制焦炭所用的窑炉称为炼焦炉，炼制过程是原煤在炼焦炉内热解燃烧脱去焦油，并直至焦油完全脱尽的工艺过程。脱焦燃烧过程排放大量的成分复杂的原煤释放的高温烟气，叫做荒煤气，将荒煤气从炼焦炉内引出的装置称为上升管，上升管是安装在炼焦炉顶部用于排放荒煤气的金属管状附属设备。荒煤气在原煤燃烧时放热产生的气体热膨胀驱动力作用下，从焦炉内部源源不断逸出，通过上升管升腾、氨水降温汇集到主管道，再存入荒煤气罐等待焦化处理。荒煤气经净化与焦化处理，得到的焦炉煤气是优质燃料，得到的萘等是优质煤化工产品，所以，炼焦过程回收荒煤气是非常重要的工艺过程。

原煤在焦炉内的最高炼焦温度控制在1050℃以下。原煤在350-480℃时，大分子被热解，开始逸出煤气类气相物和焦油液相物；450-550℃时，以液相为主与气相产物大量析出；700-1000℃时液相物逐渐终尽，脱焦完成，焦炭形成，焦炭中保留了纯煤气可燃性气体成分，即：从原煤到炼焦的工艺结束。如果继续升温，焦炭便被碳化，可燃性气体逸尽并自燃，焦炭成为煤渣。荒煤气中的焦油是成分复杂的液态胶体，在低于临界结焦温度即350℃以下时出现体积浓缩，吸附在物体表面，逐渐聚集成坚硬的块状，称为结焦。

现有焦炉上升管的基本结构，如图6所示，包括主体钢管21，作为上升管管体，主体钢管的两端分别设有法兰24，在主体钢管的外表面设有石棉保温层23，在主体钢管的内表面衬有黏土类耐火砖砌成的耐火衬22，上升管内部贴上耐火衬之后，上升管的有效内径为400mm。耐火衬的保护作用起到对焦油进行隔离的效果，防止荒煤气中的焦油与钢管的铁原子化合产生石墨反应，导致金属管腐蚀；耐火衬的保温作用起到除焦效果，防止荒煤气温度在低于350℃时，焦油便吸附在耐火衬上，导致荒煤气逸除不畅，阻塞荒煤气排放。

但是，上述现有结构的焦炉上升管存在以下问题：

(一)、高温荒煤气废热直接排放，未被有效回收利用。荒煤气高于350℃防结焦温度以上的，约占炼焦放热30％左右的热能全部成为废热，即相当于每吨煤发电能力为3000kwh时，有1000kwh电量成为废热被“上天入地”废弃；部分热能随上升管外壁扩散到空中，外壁最高温度达到450-500℃，最低温度250-300℃；部分热能随荒煤气汇集被氨水急冷降温而消失。

(二)、上升管内容易结焦，且难于控制。由于这种上升管是一种单纯的烟道式结构，只有被动的保护防结焦耐火衬，耐火衬表面粗糙极易使焦油吸附挂壁，即使高温烧掉但仍然留有痕迹，并越积越多，形成难以清理的坚硬块状焦油；且上升管的耐火衬是在上升管管内采用耐火砖砌体的方式，故其寿命期较短，一般只有1年，需要每年更新一次上升管，更新耐火砖砌体；管内结焦时常发生，但不易察觉，没有控制结焦的技术措施，需要有经验的操作人员通过观察炼焦炉顶的装煤孔、观察孔，当发现荒煤气大量逸出时，则判断为上升管严重结焦被阻塞，结焦后一般采取调火燃烧除焦措施，严重结焦后则需要更换上升管；由于工况恶劣，上升管处理结焦很困难。

(三)、现有上升管在内部贴上耐火衬之后，上升管的有效内径为400mm，该尺寸从理论上满足上升管在高度保温、不取热、不降温的条件下，荒煤气以0.3-1.0m/s升腾速度按层流形态通过上升管；但在使用含焦量比较大的煤种(即烟煤)炼焦时，每一炉均出现荒煤气来不及从上升管逸出，而从焦炉炉顶的装煤孔、观察孔逃逸，甚至需要人工打开上升管上方的炉盖，将带火的荒煤气对“天”排放、并泄压，否则会因荒煤气逸出不及时，在装煤孔或观察孔起火燃烧，甚至导致炼焦室“炸膛”事故。

(四)、现有上升管内荒煤气的流体状态是层流状态，即：荒煤气自下而上有序逸出。层流状态使得荒煤气到达桥管时内外温度不一致，贴近上升管内部耐火衬的外层荒煤气的温度，低于上升管中心位置的内层荒煤气的温度，并且温差平均高达150℃。该温差的存在，对荒煤气的废热回收产生以下不利因素：一是，荒煤气废热回收量不完全，大约有40-60％的废热位居荒煤气气流的中心位置没有被回收或被充分回收；二是，给荒煤气降温的喷氨水量没有降低到可以实现的最低量。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种焦炉荒煤气废热回收利用系统，高效回收焦炉上升管内高温荒煤气废热，并对回收的废热充分利用。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：焦炉荒煤气废热回收利用系统，所述焦炉荒煤气废热回收利用系统包括：废热回收单元、废热存储单元和废热再利用单元；

所述废热回收单元包括：设置于焦炉顶部的若干焦炉上升管，所述焦炉上升管包括上升管管体，所述上升管管体的两端分别设置有法兰，所述上升管管体采用套管结构，所述套管结构包括上升管外管和套在所述上升管外管内的上升管内管，所述上升管外管、所述上升管内管、所述法兰共同围出套管容腔；在所述套管容腔内设置有水冷壁，所述水冷壁包括水冷壁内壁和水冷壁外壁，所述水冷壁内壁与所述水冷壁外壁之间为水冷壁内腔，所述水冷壁外壁的下部设有与所述水冷壁内腔连通的进水管口，所述水冷壁外壁的上部设有与所述水冷壁内腔连通的出汽管口；所述焦炉上升管的进水管口与进水汇集总管相连通，所述焦炉上升管的出汽管口与过热蒸汽汇集总管相连通；

所述废热存储单元包括：蒸汽储能器，所述蒸汽储能器设有蒸汽进口和冷凝水出口，所述蒸汽进口与所述过热蒸汽汇集总管相连通，所述冷凝水出口与所述进水汇集总管相连通；

所述废热再利用单元包括：与所述蒸汽储能器连接的发电系统或/和供暖系统。

本实用新型的焦炉荒煤气废热回收利用系统，以水为介质作为回收荒煤气废热的载体，水自水冷壁外壁下部的进水管口进入水冷壁内腔；高温荒煤气在上升管内管中上升过程中与其发生热交换，水冷壁内腔中的水与高温的上升管内管发生热交换，水被加热、汽化、成为过热蒸汽，最终自水冷壁外壁上部的出汽管口导出，制得的过热蒸汽进入蒸汽储能器，蒸汽储能器中的过热蒸汽即可供向废热再利用单元，用来发电和/或供暖等，实现了高温荒煤气废热的有效回收利用。

以下为对本实用新型的焦炉荒煤气废热回收利用系统的多项进一步优化设计：

其中，所述焦炉荒煤气废热回收利用系统还包括：设置于所述废热存储单元与所述废热再利用单元之间的蒸汽再热单元。过热蒸汽汇集总管内的过热蒸汽品质有一定的波动，会在过热蒸汽汇集总管内出现汽水混合物，影响过热蒸汽的品质；设置蒸汽再热单元，可以减少蒸汽中的水分，使过热蒸汽的品质保持稳定。

其中，设定焦炉顶部共有N+M个所述焦炉上升管，N≥1，M≥1；其中，所述废热回收单元包括N个所述焦炉上升管，所述蒸汽再热单元包括M个所述焦炉上升管；所述蒸汽储能器设有蒸汽出口，所述蒸汽储能器的蒸汽出口连接有过热蒸汽供汽总管，M个所述焦炉上升管的进水管口与所述过热蒸汽供汽总管相连通，M个所述焦炉上升管的出汽管口与再热蒸汽汇集总管相连通；所述再热蒸汽汇集总管连接所述废热再利用单元。

其中，所述上升管内管的内表面涂有耐高温纳米陶瓷涂层。纳米材料致密度极高，在上升管内管的内表面涂覆耐高温纳米陶瓷涂层后，上升管内壁保持高度的致密度、光洁度、平整度，使荒煤气中的焦油不能在上升管内壁上吸附挂壁，避免结焦；纳米材料附着力极高，故不易出现纳米涂层裂纹、爆裂、脱落，并既有保温特性，又有极强的隔离特性，确保荒煤气的焦油不与钢管的铁原子产生化合作用，保护钢管不被腐蚀，延长使用寿命。

其中，所述水冷壁内壁与所述上升管内管之间为内气密层，所述水冷壁外壁与所述上升管外管之间为外气密层。内气密层的设置，可以避免低温的冷水壁与高温的荒煤气形成直接接触的降温界面，避免过大的温差而造成低于结焦临界点温度，避免造成结焦危害，确保废热回收的同时不会结焦；外气密层的设置，不但可以对水冷壁起到保温作用，防止水冷壁向上升管外管散热，确保荒煤气废热的高效回收，又起到防止回收的热量散向周围环境，达到了降低周围温度，改善工况环境目的。

其中，所述水冷壁自下而上包括相连通的高温热水段、饱和汽化段和过热蒸汽段。

其中，所述水冷壁内腔中设有导流结构。导流结构的设置，使水冷壁内腔中的流体扰动，增加换热效果。

其中，所述导流结构包括：位于所述高温热水段的水流导流板、位于所述饱和汽化段的汽化导流板和位于所述过热蒸汽段的蒸汽分流板；所述水流导流板、所述汽化导流板、所述蒸汽分流板一体设置，呈螺旋导流结构；所述水流导流板的螺距、所述汽化导流板的螺距、所述蒸汽分流板的螺距依次增大。可以减小流体阻力，增加换热系数。

其中，所述上升管管体的上端设有上测温点管口，所述上升管管体的下端设有下测温点管口；所述上测温点管口、所述下测温点管口皆设置有温度变送器，所述温度变送器与温度控制器连接，所述温度控制器还与电动调节阀连接，所述电动调节阀设置于进水支路上，所述进水支路的一端连接所述进水汇集总管，所述进水支路的另一端连接所述水冷壁的进水管口。焦炉运行过程中，温度变送器实时检测上升管内部荒煤气温度，测得荒煤气温度高于临界结焦温度时，通过水冷壁内腔的循环水回收荒煤气的高温余热，并控制上升管的温度不高于600℃，即可起到避免上升管的钢管连接焊缝出现高温断裂的问题；测得荒煤气温度接近临界结焦温度时，温度控制器控制电动调节阀，迅速调低循环水的流量、流速，即可迅速提升上升管内荒煤气的温度，避免结焦；一旦出现偶然、瞬间结焦，在高于400℃后会将结焦迅速熔解。

其中，所述焦炉上升管的内径为450mm～500mm。扩大上升管的内径后，一方面是，可减小荒煤气上升的阻力，缩短荒煤气在上升管内逸出的时间，确保废热回收的同时荒煤气不会结焦；另一方面，可改变荒煤气在上升管内的气流形态，由层流变成紊流，紊流现象使荒煤气在上升管内部产生涡旋和翻腾，同时废热回收过程中上升管内衬耐高温纳米陶瓷涂层与被降温的荒煤气的界面的温度偏低，推动了不同温度的荒煤气形成气流团，气流团密度差异形成气旋，气旋进一步促使荒煤气内外层充分混合，最终使通过上升管任何横截面的荒煤气的截面温度基本一致，使荒煤气废热能最大程度地回收，降低了给荒煤气降温的氨水用量。

综上所述，采用了上述技术方案后，本实用新型的焦炉荒煤气废热回收利用系统，通过设置废热回收单元、废热存储单元和废热再利用单元，实现了高温荒煤气废热的有效回收和利用；通过设置耐高温纳米陶瓷涂层及控制上升管内荒煤气温度，解决了荒煤气中的焦油在上升管内壁吸附挂壁、结焦的难题，延长了上升管的使用寿命；上升管的内径扩容后，降低了给荒煤气降温的氨水用量，根除了荒煤气从装煤孔和观察孔逃逸或人工排气的问题，为安全生产提供了保障。

附图说明

图1是本实用新型实施例的焦炉荒煤气废热回收利用系统原理示意图；

图2是本实用新型实施例的焦炉荒煤气废热回收利用系统现场示意图；

图3是图1中的焦炉上升管外形结构示意图；

图4是图3的纵向剖视结构示意图；

图5是图3的横向剖视结构示意图；

图6是现有焦炉上升管的剖视结构示意图；

图中：I、废热回收单元；II、废热存储单元；III、蒸汽再热单元；IV废热再利用单元、；V、供水与补水单元；

1、本实用新型焦炉上升管；1-1、法兰连接固定用螺栓孔；1-2、法兰；1-3、上升管外管；1-4、外气密层；1-5、水冷壁外壁；1-6、水冷壁内腔；1-7、水冷壁内壁；1-8、内气密层；1-9、上升管内管；1-10、耐高温纳米陶瓷涂层；1-11、进水管口；1-12、水流导流板；1-13、汽化导流板；1-14、蒸汽分流板；1-15、出汽管口；1-16、下测温点管口；1-17、上测温点管口；1-18、岩棉底座；D、焦炉上升管内径；H、焦炉上升管高度；H1、高温热水段；H2、饱和汽化段；H3、过热蒸汽段；101、上部温度变送器；102、下部温度变送器；103、温度控制器；104、电动调节阀；105、进水支路；

2、现有焦炉上升管；21、主体钢管；22、耐火衬；23、石棉保温层；24、法兰；

3、蒸汽储能器；4、进水汇集总管；5、过热蒸汽汇集总管；6、过热蒸汽供汽总管；7、再热蒸汽汇集总管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做非限制性的详细说明。

如图1所示，本实用新型的焦炉荒煤气废热回收利用系统包括：废热回收单元I、废热存储单元II和废热再利用单元IV；如图2所示，还进一步包括设置于废热存储单元II与废热再利用单元IV之间的蒸汽再热单元III，以及用于向废热回收单元I供水/补水的供水与补水单元V。

如图2、图4和图5所示，废热回收单元I包括：设置于焦炉顶部的若干焦炉上升管1，焦炉上升管1包括上升管管体，在上升管管体的两端分别设置有法兰1-2，在法兰1-2上设置有法兰连接固定用螺栓孔1-1；其中，上升管管体采用套管结构，该套管结构包括上升管外管1-3和套在上升管外管1-3内的上升管内管1-9，进一步地，在上升管内管1-9的内表面涂有耐高温纳米陶瓷涂层1-10，在上升管外管1-3的外表面涂有防锈层，由上升管外管1-3、上升管内管1-9和两端的法兰1-2共同围出套管容腔；在套管容腔内设置有不锈钢材质的水冷壁，该水冷壁包括水冷壁内壁1-7和水冷壁外壁1-5，水冷壁内壁1-7与上升管内管1-9之间为内气密层1-8，水冷壁外壁1-5与上升管外管1-3之间为外气密层1-4，水冷壁内壁1-7与水冷壁外壁1-5之间为水冷壁内腔1-6，在水冷壁外壁1-5的下部设有与水冷壁内腔1-6连通的进水管口1-11，在水冷壁外壁1-5的上部设有与水冷壁内腔1-6连通的出汽管口1-15；焦炉上升管的进水管口1-11通过进水支路105与进水汇集总管4相连通，进水支路105上设置有电动调节阀104；焦炉上升管的出汽管口1-15与过热蒸汽汇集总管5相连通；进一步地，在上升管管体的上端设有上测温点管口1-17，上测温点管口1-17设置有上部温度变送器101，在上升管管体的下端设有下测温点管口1-16，下测温点管口1-16设置有下部温度变送器102，上部温度变送器101和下部温度变送器102皆与温度控制器103连接，温度控制器103还与电动调节阀104连接。在套管容腔内位于下部法兰1-2的上表面设有岩棉底座1-18，水冷壁的底部支撑在岩棉底座1-18上。

如图1所示，废热存储单元II包括蒸汽储能器3，蒸汽储能器3设有蒸汽进口和冷凝水出口，其中，蒸汽进口与过热蒸汽汇集总管5相连通，冷凝水出口与进水汇集总管4相连通。

如图1所示，废热再利用单元IV包括：与蒸汽储能器3连接的发电系统和供暖系统。

如图2所示，设定焦炉顶部共有N+M个焦炉上升管1，N≥1，M≥1，最好是N≥M；其中，废热回收单元I包括N个焦炉上升管1，蒸汽再热单元III包括M个焦炉上升管1；图2示意出了每座炼焦炉有60个燃烧室即60个焦炉上升管的情形，其中，N﹦55，即第1#至第55#焦炉上升管用于废热回收单元I；M﹦5，即第56#至第60#焦炉上升管用于蒸汽再热单元III；当然，N、M的数值可以根据实际需要进行调整。蒸汽储能器3设有蒸汽出口，蒸汽储能器3的蒸汽出口连接过热蒸汽供汽总管6，M个焦炉上升管1的进水管口1-11与过热蒸汽供汽总管6相连通，M个焦炉上升管1的出汽管口1-15与再热蒸汽汇集总管7相连通；再热蒸汽汇集总管7连接废热再利用单元IV。

如图4所示，其中，所述水冷壁自下而上包括相连通的高温热水段H1、饱和汽化段H2和过热蒸汽段H3。其中，高温热水段H1也是水冷段，设置在焦炉上升管1的下端，占焦炉上升管高度H的40％左右，进水温度在10-40℃，通过水冷段吸收荒煤气废热50-60％的热能，将水的温度迅速升高到95℃，达到近汽化程度。其中，饱和汽化段H2也是高温冷凝段，位于高温热水段H1的上部，焦炉上升管1的中部，占焦炉上升管高度H的30％左右，其作用是通过吸收荒煤气在底段废热的余热，将高温热水汽化为饱和蒸汽，进一步回收荒煤气废热。其中，过热蒸汽段H3是为了提高所回收废热的热品质，是实现废热回收与再利用的重要环节，过热蒸汽段H3设置在焦炉上升管1的上端，位于饱和汽化段H2的上部，占焦炉上升管高度H的30％左右，通过过热蒸汽段H3吸收荒煤气上段的废热，将中段的饱和蒸汽升华为过热蒸汽。

如图4所示，其中，在水冷壁内腔1-6中设有导流结构。导流结构的设置，使水冷壁内腔1-6中的高温热水、饱和蒸汽、过热蒸汽扰动，增加换热效果。

其中，所述导流结构包括：位于高温热水段H1的水流导流板1-12、位于饱和汽化段H2的汽化导流板1-13和位于过热蒸汽段H3的蒸汽分流板1-14。进一步地，水流导流板1-12、汽化导流板1-13、蒸汽分流板1-14一体设置，呈螺旋导流结构。更进一步地，水流导流板1-12的螺距、汽化导流板1-13的螺距、蒸汽分流板1-14的螺距依次增大。可以减小流体阻力，增加换热系数。

如图4所示，其中，焦炉上升管内径D为450mm～500mm。扩大上升管的内径后，一方面是，减小了荒煤气在上升管内部的单位密度，可减小荒煤气上升的阻力，缩短荒煤气在上升管内逸出的时间，确保废热回收的同时荒煤气不会结焦；另一方面，可改变荒煤气在上升管内的气流形态，由层流变成紊流，紊流现象使荒煤气在上升管内部产生涡旋和翻腾，同时废热回收过程中上升管内衬耐高温纳米陶瓷涂层与被降温的荒煤气的界面的温度偏低，推动了不同温度的荒煤气形成气流团，气流团密度差异形成气旋，气旋进一步促使荒煤气内外层充分混合，最终使通过上升管任何横截面的荒煤气的截面温度基本一致，使荒煤气废热能最大程度地回收，降低了给荒煤气降温的氨水用量。同时，焦炉上升管内径扩容后，根除了荒煤气从装煤孔和观察孔逃逸或人工排气的问题。

综上所述，本实用新型的焦炉荒煤气废热回收利用系统，通过设置废热回收单元、废热存储单元和废热再利用单元，实现了高温荒煤气废热的有效回收和利用；通过设置耐高温纳米陶瓷涂层及控制上升管内荒煤气温度，解决了荒煤气中的焦油在上升管内壁吸附挂壁、结焦的难题，延长了上升管的使用寿命；上升管的内径扩容后，降低了给荒煤气降温的氨水用量，根除了荒煤气从装煤孔和观察孔逃逸或人工排气的问题，为安全生产提供了保障。